DE709832C

DE709832C - Exhaust gas turbine for internal combustion engines

Info

Publication number: DE709832C
Application number: DEW101905D
Authority: DE
Inventors: Dr-Ing August Wewerka
Original assignee: Dr-Ing August Wewerka
Current assignee: Dr-Ing August Wewerka
Priority date: 1937-09-14
Filing date: 1937-09-14
Publication date: 1941-08-28

Description

Abgasturbine für Brennkraftmaschinen Die Erfindung bezieht sich auf eine Abgasturbine für Brennkraftmaschineri, deren Laufrad mit einer Fördereinrichtung für das Kühlmittel, vorzugsweise Luft, zusammengebaut ist. Bei Brennkraftmaschinen größerer Leistung ist es bekannt, das Turbinenrad zu beiden Seiten mit als Schaufeln wirkenden Rippen- zu versehen, durch die Luft von der Nähe der Nabe angesaugt und in der Nähe des Schaufelkranzes zum Einhüllen des Gasstrahles herausgedrückt wird. Wegen des hohen Druckes, den die Luft hierbei erhält, sowie wegen des dadurch bedingten großen Kraftbedarfes ist eine solche Anordnung bei Brennkraftmaschinen geringer Leistung, wie sie die Abgasturbinen darstellen, nicht .an:-wendbar, da bei diesen für die Kühlung nur ein gegenüber der Turbinenleistung vernachlässigbar kleiner Kraftbedarf erforderlich ist. Ein weiterer Nachteil der hekannten Anordnung besteht in der Schwierigkeit der Herstellung und ferner darin, daß Beschädigungen infolge langer Dichtungsflächen mit geringem Spiel leicht auftreten können.Exhaust gas turbine for internal combustion engines The invention relates to an exhaust gas turbine for internal combustion engines, the impeller with a conveyor for the coolant, preferably air, is assembled. In internal combustion engines It is known that the turbine wheel has more power than blades on both sides acting ribs, sucked in and through the air from near the hub is pushed out in the vicinity of the blade ring to envelop the gas jet. Because of the high pressure that the air receives here and because of the pressure it causes Such an arrangement is less in internal combustion engines when there is a large power requirement Power, as represented by the exhaust gas turbines, is not applicable, as it is with these for the cooling only a negligibly smaller compared to the turbine power Power requirement is required. There is another disadvantage of the known arrangement in the difficulty of manufacture and also in the fact that damage as a result long sealing surfaces with little play can easily occur.

Zur Vermeidung dieser Mängel sowie zur Erzielung einer viel größeren Betriebssicherheit wird gemäß der Erfindung zwecks Kühlung der Laufräder von Abgasturbinen vorgeschlagen, daß innerhalb der verstärkten Nabe mehr oder weniger radial verlaufende Kanäle für die Förderung des Kühlmittels durch die Radkammern und gegebenenfalls entlang den äußeren Gehäusewandungen angeordnet sind. Auf diese Weise wird das Turbinenlaufrad allseitig von der Kühlluft umspült und die Betriebstemperatur des Laufrades sowie auch der darauf befestigten Laufschaufeln wesentlich unter die Temperatur des heißen . Gases heruntergedrückt. Das Tgrbinenl.aufrad erhält vorteilhaft eine hohle Nabe und gegebenenfalls, insbesondere bei beiderseitiger Lagerung des Laufrades,.. auch eine hohle Welle, durch die die Kühl-Luft angesaugt und den :an den RadseWt angeordneten Kühlkanälen zugeführt Diese Kanäle sind zweckmäßig nach Art der-Schaufelkanäle von Kreiselförderern ausgebildet, so daß das Kühlmittel beim Umlauf des Rades selbsttätig gefördert wird. Sie können entweder unmittelbar in das Laufrad eingearbeitet oder in dem mit der Radnabe verbundenen Flansch der Turbinenwelle oder in besondere Deckscheiben angeordnet sein, die an dem Laufrad befestigt sind. Die letztere Ausführung ist besonders bei fliegend gelagerten Laufrädern zweckmäßig. Man hat an sich schon vorgeschlagen, eine Kupplung als Lüfter auszubilden, indem man die eine Hälfte derselben mit Schaufeln versieht. Dabei handelt es sich jedoch darum, den Wärmefluh von dem auf der einen Welle gelagerten Turbinenrad über die Kupplung in die andere Welle zu verhindern. Die durch die hohle . Nabe und durch die Kühlkanäle geförderte Luft kühlt das Laufrad wirkungsvoll. Die aus den Kühlkanälen ,ausströmende Luft kann auch noch zur Abdichtung -des Turbinengehäuses verwendet werden, um zu verhindern, daß die heißen und giftigen Abgase an der Wellendurchführung nach außen gelangen. Zu diesem Zweck kann die vorteilhaft als Spaltdichtung ausgebildete Dichtung der Wellendurchführung an der Mündung der seitlichen Kühlkanäle des Turbinenrades angeordnet werden. Die dann mit überdruck aus den Kanälen austretende Kühlluft wirkt hierbei gleichzeitig als Sperrmittel und verhindert derart den Austritt heißer Abgase aus der Turbine.To avoid these shortcomings as well as to achieve a much larger one According to the invention, operational reliability is provided for the purpose of cooling the impellers of exhaust gas turbines suggested that within the reinforced hub extending more or less radially Channels for conveying the coolant through the wheel chambers and, if necessary are arranged along the outer housing walls. This is how the turbine runner becomes surrounded by the cooling air on all sides and the operating temperature of the impeller as well even the blades attached to it are significantly below the temperature of the hot one . Gases pressed down. The Tgrbinenl.aufrad gets beneficial a hollow hub and, if necessary, especially when the Impeller, .. also a hollow shaft through which the cooling air is sucked in and the: an the cooling channels arranged in the RadseWt. These channels are expediently after Type of-blade channels formed by rotary conveyors, so that the coolant when Circulation of the wheel is promoted automatically. You can either go directly into incorporated into the impeller or in the flange of the turbine shaft connected to the wheel hub or be arranged in special cover disks which are attached to the impeller. The latter version is particularly useful for cantilevered wheels. It has already been proposed to design a clutch as a fan by one half of it is provided with shovels. But that is what it is therefore, the heat flow from the turbine wheel mounted on one shaft via the To prevent coupling into the other shaft. The through the hollow. Hub and through Air conveyed through the cooling ducts effectively cools the impeller. The ones from the cooling ducts , outflowing air can also be used to seal the turbine housing to prevent the hot and poisonous exhaust gases from reaching the shaft bushing get to the outside. For this purpose, the advantageously designed as a gap seal Seal the shaft bushing at the mouth of the side cooling channels of the turbine wheel to be ordered. The cooling air then exiting the ducts with excess pressure acts at the same time as a blocking agent and thus prevents hot exhaust gases from escaping from the turbine.

In der Zeichnung sind zwei Ausführungsbeispiele der Erfindung dargestellt. Fig. i zeigt im Längsschnitt eine Abgasturbine und Fig.2 einen Querschnitt durch die seitlichen Kühlkanäle. Das Laufrad 2 der Abgasturbine ist mit den Laufschaufeln i versehen, die von heißen, in Richtung des Pfeiles 15 in das Turbinengehäuse 7 eintretenden Abgasen beaufschlagt werden. Das Laufrad 2 besteht mit seiner beiderseitig verstärkten Nabe 3 und der Welle 4. aus einem Stück. Die Welle q. hat eine axiale Bohrung 5. An den Radseiten sind in die verbreiterte Nabe 3 Kühlkanäle 6 eingearbeitet, die durch radiale Rippen 7 voneinander getrennt sind. Die Rippen 7 wirken ähnlich wie ein Kreiselförderer und fördern die durch die Wellenbohrung in Richtung der Pfeile angesaugte Luft in radialer Richtung nach außen.Two exemplary embodiments of the invention are shown in the drawing. FIG. 1 shows an exhaust gas turbine in longitudinal section and FIG. 2 shows a cross section through the side cooling channels. The impeller 2 of the exhaust gas turbine is with the rotor blades i provided, which by hot, in the direction of arrow 15 in the turbine housing 7 incoming exhaust gases are acted upon. The impeller 2 consists with its on both sides reinforced hub 3 and shaft 4. from one piece. The wave q. has an axial Bore 5. On the wheel sides 3 cooling channels 6 are worked into the widened hub, which are separated from one another by radial ribs 7. The ribs 7 act similarly like a rotary conveyor and convey through the shaft bore in the direction of the Arrows sucked in air in the radial direction outwards.

Das Turbinengehäuse 7 hat zur Abdichtung der Wellendurchführung des Laufrades Dichtungsringe 8, die nach Art einer Labyrinthdichtung ausgebildet sind und die Enden der Kühlkanäle 6 umschließen. Dadurch wird ein `gil der aus den Kanälen 6 mit Überdruck stretenden Luft in Richtung der Pfeile an ;den beiden Seiten des Laufrades entlang in das Innere des Turbinengehäuses 7 geführt und verhindert auf diese Weise, daß die das Turbinengehäuse anfüllenden heißen Abgase nach außen gelangen.The turbine housing 7 has to seal the shaft passage of the Impeller sealing rings 8, which are designed in the manner of a labyrinth seal and enclose the ends of the cooling channels 6. This creates a `gil of the canals 6 air flowing with overpressure in the direction of the arrows; the two sides of the The impeller is guided along into the interior of the turbine housing 7 and prevents on in this way that the hot exhaust gases filling the turbine housing get to the outside.

Um auch den äußeren Teil des Turbinengehäuses 7, das benachbarte Lager 9, die Welle q. und die Nabe 3 an der Außenseite zu kühlen, können an der Außenseite der Nabe 3 Lüfterflügel io angebracht werden, die Kühlluft über das Lager 9, die Welle ¢ und die Auf-enseiten der Nabe 3 vorbeisaugen und in Richtung der Pfeile an der Außenseite des Turbinengehäuses 7 entlangblasen. Zur besseren Führung der Luft ist das Gehäuse 7 mit einer Verkleidung i i umschlossen, die mit dem Gehäuse 7 einen Luftkanal 12 einschließt und in der Mittelebene des Gehäuses mit öffnungen 13 für den Austritt der Luft versehen ist. Diese Verkleidung 11 reicht nicht ganz bis zur Welle q, um eine Saugöffnung für die Lüfterflügel io zu schaffen.To also the outer part of the turbine housing 7, the adjacent bearing 9, the shaft q. and to cool the hub 3 on the outside, fan blades can be attached to the outside of the hub 3, suck the cooling air over the bearing 9, the shaft ¢ and the outside of the hub 3 and in the direction of the arrows on the outside of the Blow along turbine housing 7. For better guidance of the air, the housing 7 is enclosed by a cladding ii which, together with the housing 7, encloses an air duct 12 and is provided with openings 13 for the air to exit in the center plane of the housing. This cladding 11 does not extend all the way to the shaft q in order to create a suction opening for the fan blades io.

An der dem Lager g abgewendeten Seite der Laufradnabe 3 können gleichfalls Lüfterflügel 14 vorgesehen werden, die einen die andere Seite des Turbinengehäuses 7 bestreichenden zusätzlichen Kühlluftstrom erzeugen. Bei dem in Fig.3 im Längsschnitt und Fig. ¢ im Querschnitt dargestellten Ausführungsbeispiel ist das mit den Laufschaufeln 21 versehene Laufrad 22 in dem Lager 23 fliegend gelagert. Das Laufrad 22 ist mit seiner Nabe 2.1 an einem Flansch 25 der Welle 26 mittels der Schrauben 27 befestigt. An der freien Stirnseite des Laufrades 22 ist eine Deckplatte 28 befestigt. An den inneren, dem Laufrad 22 zugewendeten Seiten des Flansches 22 und der Deckplatte 28 sind Kühlkanäle 29, 30 eingearbeitet. Die Kühlluft wird den Kanälen 29, 3o durch eine Mittelbohrung 31 in der Deckplatte 28 und durch die anschließende Bohrung 32 der Nabe 2¢ zugeführt. Zur Erhöhung der Kühlluftmenge können in den Kühlkanälen schaufelartige Rippen vorgesehen sein, durch die eine Gebläsewirkung hervorgerufen wird. Zu diesem Zweck sind an der dem Laufrad zugewendeten Seite des Wellenflansches 25 radiale Rippen 33 und an der Innenseite der Deckplatte 28 Rippen 3q. angebracht, welche letztere in Fig. q. dargestellt sind.On the side of the impeller hub 3 facing away from the bearing g, fan blades 14 can likewise be provided, which generate an additional cooling air flow sweeping the other side of the turbine housing 7. In the exemplary embodiment shown in longitudinal section in FIG. 3 and in cross section in FIG. The impeller 22 is fastened with its hub 2.1 to a flange 25 of the shaft 26 by means of the screws 27. A cover plate 28 is attached to the free end face of the impeller 22. On the inner sides of the flange 22 and the cover plate 28 facing the impeller 22, cooling channels 29, 30 are incorporated. The cooling air is supplied to the channels 29, 3o through a central bore 31 in the cover plate 28 and through the adjoining bore 32 of the hub 2 [. In order to increase the amount of cooling air, blade-like ribs can be provided in the cooling channels, through which a blower effect is produced. For this purpose there are radial ribs 33 on the side of the shaft flange 25 facing the impeller and ribs 3q on the inside of the cover plate 28. attached, the latter in Fig. q. are shown.

Die übrige Ausbildung der Turbine kann ähnlich der Fig. i erfolgen. Insbesondere können auch an der Außenseite des Wellenflansches 25 oder der Deckplatte 28 Lüfterflügel vorgesehen werden, um einen kühlenden Luftstrom über das Lageroder das Turbinengehäuse zu erzeugen.The rest of the design of the turbine can be carried out in a manner similar to that of FIG. In particular, on the outside of the shaft flange 25th or the cover plate 28 fan blades can be provided to a cooling air flow via the bearing or the turbine housing.

Die Abgasturbine gemäß der Erfindung wird durch die die Kühlkanäle und die Nabenbohrung durchströmende Luft besonders wirkungsvoll gekühlt, so daß auch bei den höchsten Abgastemperaturen keime die Festigkeitseigenschaften des Turbinenlaufrades beeinträchtigenden Erwärmungen auftreten können.The exhaust gas turbine according to the invention is through which the cooling ducts and air flowing through the hub bore is cooled particularly effectively, so that Even at the highest exhaust gas temperatures, the strength properties of the turbine impeller germinate adverse warming can occur.

Claims

PATENT CLAIMS: i:; Exhaust gas turbine for internal combustion engines, their impeller with .ein conveying device for the coolant, preferably air, assembled is, characterized in that within the reinforced hub more or less radially extending channels for conveying the coolant through the wheel chambers and are optionally arranged along the outer housing walls.

2. Exhaust turbine according to claim i, characterized in that the conveying channels directly into the Sealing means provided on the turbine housing open in a known manner.

3. Exhaust gas turbine according to claims i and 2, characterized in that the turbine impeller @ is coupled to the rotor shaft at the sealing point and the connecting flange of the Rotor shaft is designed in a manner known per se as a rotary conveyor. ¢.

Exhaust gas turbine according to claims i to 3, characterized in that the conveying channels for the Coolant from the turbine wheel and a special cover plate are formed.

5. Exhaust gas turbine according to claims i to q., Characterized in that the conveying channels are incorporated into the cover plate connected to the runner.

6. Exhaust turbine according to claims i to 5, characterized in that, in addition to the conveying channels on the front sides of the hub of the turbine impeller fan blades to generate a Cooling air flow for the bearing, turbine housing and other strongly heated parts of the Turbine are arranged.